Selección de una fuente de alimentación externa

Elegir una fuente de alimentación de CA / CC puede ser una tarea abrumadora. ¿Debe ser interno o externo? ¿Será compatible si mi producto se envía a otras regiones del mundo? ¿Mi producto médico necesita una fuente de alimentación que cumpla con los estándares de seguridad médica? Estas son solo algunas de las preguntas que los ingenieros pueden hacer mientras centran sus esfuerzos en los aspectos de suministro de energía del diseño de su nuevo producto.

Determinación del tipo de fuente de alimentación necesaria

La decisión de seleccionar una fuente de alimentación externa de CA / CC puede deberse a limitaciones prácticas de espacio dentro del producto. Dependiendo de los requisitos de alimentación, las fuentes de alimentación internas pueden ocupar un espacio valioso, lo que hace que el producto final sea innecesariamente más grande de lo necesario en comparación con otros diseños del mercado. El espacio que ocupa un producto es una consideración crucial para muchos consumidores, especialmente cuando puede estar en un mostrador o junto a un sistema de medios. La selección de una fuente de alimentación externa, ya sea una fuente de alimentación de escritorio o una unidad de enchufe de pared (Figura 1), puede ser una opción prudente por algunas razones prácticas, ya que mantiene el producto final lo más pequeño posible.

Figura 1:La familia de productos SWI de CUI ofrece una solución compacta, eficiente y económica para adaptadores de pared ac-dc (Fuente CUI)

Las unidades de enchufe de pared tienden a adaptarse a productos que necesitan un suministro de CC desde unos pocos vatios hasta aproximadamente 50 vatios. Cualquier cosa más que esto requerirá una unidad de escritorio (Figura 2).

Figura 2:SDI160G-U y SDI160G-UD ofrecen 160 Watts de potencia continua y cumplen con los requisitos UL / EN / IEC 62368-1 (Source CUI)

Para mayor comodidad, muchos diseñadores optan por alimentar su producto con una fuente de alimentación estándar de 5 VCC, por lo que seleccionar una unidad de enchufe de pared que tenga un enchufe USB-A estándar hace una elección simple para productos que consumen hasta 2 amperios. Asimismo, diseñar su producto para que funcione con los voltajes nominales populares de 12 VCC, 15 VCC o 24 VCC facilita la selección, ya que la mayoría de los fabricantes proporcionan unidades estándar para estos voltajes. Además, ¿qué tipo de toma de entrada de alimentación piensa utilizar en su producto? ¿Está disponible como estándar o con un costo adicional del fabricante de la fuente de alimentación? No olvide verificar los requisitos de potencia máxima de su diseño, ya que eso determinará el adaptador que debe elegir. Optar por utilizar una unidad que no ofrece suficiente potencia de salida máxima, en particular aquellas que tienen una carga inductiva, como un motor, puede provocar un sobrecalentamiento de la fuente de alimentación, lo que provocaría una tensión innecesaria en los componentes y reduciría la fiabilidad del producto.

Compare sus requisitos con las especificaciones de la hoja de datos

Asegúrese de estudiar detenidamente las hojas de datos de las posibles fuentes de alimentación, ya que algunos factores pueden no ser tan evidentes como el voltaje de salida y la clasificación de corriente.

Muchas fuentes de alimentación de enchufe de pared proporcionan una salida de CC que está flotando con respecto a la tierra. Estos suministros, denominados Clase II, no brindan acceso a una conexión a tierra de protección, necesitará un suministro de Clase I para eso, y estos tienden a ser unidades de escritorio.

Otras especificaciones para verificar en la hoja de datos incluyen regulación de línea, ondulación y ruido, características de protección y aprobaciones.

La regulación proporciona una medida de qué tan cerca puede mantener una fuente de alimentación su voltaje de salida frente a la salida nominal establecida. La regulación adecuada puede ser de +/- 10%, pero si su aplicación es sensible a los cambios de entrada de voltaje, esta característica necesita más consideración. Para una salida nominal de 12 VCC, una regulación de +/- 10% significa que el voltaje de salida podría oscilar entre 10,8 VCC y 13,2 VCC. La ondulación y el ruido generalmente estarán presentes en la salida de CC y, nuevamente, los circuitos integrados sensibles pueden ser propensos a un ruido excesivo en las líneas eléctricas. El uso de componentes de filtrado adicionales puede ayudar, pero tenga en cuenta que estos se sumarán a su costo de materiales y ocuparán un valioso espacio en la PCB.

Mientras observa las especificaciones eléctricas, verifique qué tipos de funciones de protección tiene la fuente de alimentación de serie. La sobretensión de salida, la sobrecorriente de salida y la sobretemperatura son protecciones populares, pero si su producto puede funcionar de manera errática si el voltaje de entrada cae por debajo de un voltaje dado, un requisito de bloqueo por bajo voltaje también puede ser importante.

Normas de seguridad y eficiencia energética

Las aprobaciones de fuentes de alimentación incorporan aspectos de seguridad, eficiencia energética y compatibilidad electromagnética. Los siguientes estándares se aplican no solo a la unidad de fuente de alimentación, sino también al producto conectado a ella en su conjunto. El estándar interno IEC-62368 estipula factores de seguridad tales como las corrientes de fuga máximas permitidas y los voltajes de aislamiento de entrada a salida para equipos comerciales, de TI y AV. La Figura 3 ilustra los peligros potenciales para la seguridad y los requisitos de las pruebas de aislamiento. El aislamiento evita que el voltaje de línea de CA letal pase a la salida de CC.

Figura 3:Requisitos de prueba de aislamiento para un adaptador de corriente CA / CC (fuente CUI)

El IEC-62368 se convertirá en ley en diciembre de 2020, habiendo sido determinado previamente por dos estándares IEC-60950 (sistemas de TI) e IEC-60065 (equipos AV). Esta norma de seguridad también estipula las distancias mínimas relacionadas con las tensiones de voltaje dentro de la fuente de alimentación especificadas en términos de fuga (la trayectoria de la superficie entre dos puntos) y espacio libre (la distancia directa del entrehierro). Cualquier fuente de alimentación que se utilice para alimentar dispositivos médicos que puedan entrar en contacto con el paciente, como monitores de presión arterial, equipos de diagnóstico u oxímetros, debe cumplir con la 4ª edición de IEC 60601-1.

La eficiencia energética es un aspecto esencial de cualquier fuente de alimentación. Los estándares de Ecodiseño Europeo 2019/1782 y del Departamento de Energía de EE. UU. Nivel VI estipulan los requisitos mínimos de eficiencia activa promedio; el promedio de la eficiencia medida al 25%, 50%, 75% y 100% de carga. El ecodiseño requiere además documentación de la eficiencia al 10% de la carga completa. Consulte la Figura 4 para ver la evolución cronológica de los estándares de eficiencia energética. Estos también tienen límites específicos sobre el consumo de energía cuando no hay carga o el producto final está en espera.

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Figura 4:Cronograma de estándares de eficiencia energética (Fuente CUI)

La eficiencia energética se ha beneficiado recientemente de los avances en las tecnologías de procesos de semiconductores, y el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN) han demostrado ser adecuados para aplicaciones de conversión de energía.

El aspecto final de las aprobaciones cubre qué tan susceptible puede ser una fuente de alimentación a los efectos de la inferencia electromagnética externa y también si la propia fuente de alimentación genera EMI por encima de los niveles aceptables. Se aplican las normas FCC Parte 15 Clase B, CISPR 32 e IEC 61204-3.

La selección de un adaptador de fuente de alimentación externa no tiene por qué ser una tarea errónea. Una revisión exhaustiva de los requisitos de suministro de energía y una comparación diligente de las características de la hoja de datos pueden simplificar significativamente el proyecto.